Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Специфика выделения углекислого газа светло-серыми лесными почвами в экосистемах Предбайкалья

ВАК РФ 06.01.01, Общее земледелие

Автореферат диссертации по теме "Специфика выделения углекислого газа светло-серыми лесными почвами в экосистемах Предбайкалья"

На правах рукописи

Матвеева Евгения Валерьевна

СПЕЦИФИКА ВЫДЕЛЕНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА СВЕТЛО-СЕРЫМИ ЛЕСНЫМИ ПОЧВАМИ В ЭКОСИСТЕМАХ ПРЕДБАЙКАЛЬЯ

06.01.01 - Общее земледелие, растениеводство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата сельскохозяйственных наук

2 8 НОЯ 2013

005540885

Улан-Удэ - 2013

005540885

Работа выполнена на кафедре агроэкологии, агрохимии, физиологии и защиты растений ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор кафедры агроэкологии, агрохимии, физиологии и защиты растений ФГБОУ ВПО «Иркутская государственная сельскохозяйственная академия» Хуснидинов Шарифзян Кадирович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор,

заведующий кафедрой растениеводства, луговодства и плодоовощеводства ФГБОУ ВПО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова» Будажапов Лубсан Владимирович

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры общего земледелия ФГБОУ ВПО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филлипова» Цыбиков Бэликто Батоевич

Ведущая организация: Сибирский институт физиологии

и биохимии растений СО РАН, г. Иркутск

Защита состоится «20» декабря 2013 г. в 10- часов на заседании диссертационного совета Д 220. 006. 03. при ФГБОУ ВПО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова по адресу: 670034, г. Улан-Удэ, ул. Пушкина, 8.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова», на официальном сайте Бурятской ГСХА им. В.Р.Филиппова www.bgsha.ru и www.vak.ed.gov.ru

Автореферат разослан « 19 » ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертациоиного совета, кандидат биологических наук, профессор

Т.М. Корсунова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В наземных экосистемах углекислый газ атмосферы на 25-40 % имеет почвенное происхождение (Смагин, 2000). По данным Г.В. Добровольского (2003) этот показатель достигает 90%.

В биогеохимическом круговороте углерода почве принадлежит основная роль, поскольку она служит важнейшим накопителем органического вещества, представленного органическими остатками и гумусом, которые служат одновременно и аккумулятором, и донором СОг Почвенный покров своей газовой функцией (по отношению к углероду) выполняет в биосфере важнейшую роль поддержания современного оптимального климата.

A.B. Наумов (2009) отмечает, что в научной литературе недостаточно раскрыта суть этого исключительного природного явления, его роль в биосфере. Даже на уровне отдельных почв или почвенных типов эколого-функциональ-ные связи почвенного дыхания с факторами среды не систематизированы.

«Дыхание» - важнейший показатель плодородия почвы.

В настоящее время физические, химические и биологические свойства светло-серой лесной почвы достаточно хорошо изучены. Однако воздушные свойства, особенности газообмена остается еще слабо изученной проблемой.

Слабая изученность функции почвенного газообмена на уровне биогеоценозов вызывает необходимость исследований в этой области.

Исследования по данной тематике проводились в рамках выполнения тематического плана научных исследований ИрГСХА - № государственной регистрации 01.2.00.900.780.

Цель исследований. Изучить специфику выделения углекислого газа в экосистемах Предбайкалья.

Задачи исследований.

1. Произвести количественную оценку выделения углекислого газа в естественных и агроэкосистемах.

2. Изучить влияние свежего органического вещества и его разложения на характер выделения С02 в экосистемах Предбайкалья.

3. Оценить интенсивность эмиссии С02 из светло-серых лесных почв в зависимости от температуры почвы и выпадающих осадков в течении вегетационного периода.

4. Проследить влияние плотности почвы на характер выделения углекислого газа.

5. Оценить влияние диоксида углерода на урожайность яровой пшеницы в экспериментальных агроэкосистемах.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Изучение интенсивности «дыхания» светло-серых лесных почв в естественных и агроэкосистемах.

2. Влияние свежего органического вещества и его разложения на степень выделения С02.

3. Оценка влияния абиотических факторов и плотности почвы на процессы эмиссии СО,.

4. Влияние интенсивности выделения диоксида углерода на урожайность агроэкосистем.

Научная новизна. Впервые в условиях Предбайкалья изучена специфика «дыхания» светло-серой лесной почвы в естественных и агроэкосистемах с участием новых и малораспространенных растений: горца растопыренного (забайкальского), свербиги восточной и козлятника восточного, интродуцируе-мых в регионе. Научную новизну имеет изучение влияния свежего органического вещества, его разложения, плотности почвы и гидротермических условий на интенсивность «дыхания» светло-серых лесных почв и продуктивность агроэкосистем.

Практическая значимость. Воздушные свойства почвы - важный показатель её плодородия. Изучение процессов выделения С02 в экосистемах Предбайкалья имеет важное практическое значение. Изучение этой проблемы позволит научно обосновать систему земледелия и севооборотов региона, может быть использована для прогнозирования продуктивности и создания устойчивых агроэкосистем. Полученные результаты используются в учебном процессе при чтении учебных курсов: «Земледелие», «Сельскохозяйственная экология» и «Экология почв». Материалы исследований использовались при разработке системы земледелия ЗАО «Ново-Черемховское» Иркутской области.

Апробация научных исследований. Результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-практических семинарах «Ресурсосберегающие технологии производства экологически безопасной сельскохозяйственной продукции», посвященном 75-летию со дня рождения профессора Хусни-динова Ш.К., Иркутск 2011г.; посвященном «Дню аспиранта ИрГСХА», Иркутск 2012г.; работа представлялась на конкурс научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок на соискание гранта ИрГСХА «Инновационные разработки в АПК», Иркутск 2012 г.; на студенческой научно-практической конференции с международным участием «Научные исследования студентов в решении актуальных проблем АПК», Иркутск 2012г.; II этап всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых аграрных вузов Министерства сельского хозяйства Российской Федерации, Новосибирск 2012г.; исследования представлены на международной научно-практической конференции молодых ученых «Научные исследования и разработки к внедрению в АПК», Иркутск 2012г.; показана на выставке научно-технического творчества молодежи в номинации «Лучший научно-исследовательский проект», Иркутск 2012г; на научно-практическом семинаре, посвященном «Дню аспиранта ИрГСХА», Иркутск 2013 г; исследования представлены на международной научно-практической конференции молодых ученых «Научные исследования и разработки к внедрению в АПК», Иркутск 2013г.; на международно-практической конференции «Экологическая безопас-

ность и перспективы развития аграрного производства Евразии», посвященной 60-летию аспирантуры ИрГСХА. Иркутск 2013 г.

Публикации. Всего по результатам исследований было опубликовано 10 научных работ, в том числе две в изданиях, включенных в Перечень ВАК Ми-нобрнауки России.

Объем и структура работы. Работа изложена на 126 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 5 глав, выводов, предложений производству. Она содержит 38 рисунков, 14 таблиц. Список использованной литературы включает 166 наименования, в том числе 4 на иностранных языках.

Личный вклад автора. Диссертантом самостоятельно проведены полевые и лабораторные исследования, собран и обработан фактический материал, дана аналитическая оценка, сформулированы выводы. Автор выражает огромную благодарность научному руководителю д. с.-х. н., профессору Хус-нидинову Ш.К. за научно-методическую помощь в выполнении диссертационной работы.

Основное содержание работы

Глава 1. Особенности выделения углекислого газа в растительных экосистемах

В данной главе раскрыто значение воздушных свойств, как важнейшего показателя плодородия почв, его влияние на продуктивность сельскохозяйственных культур. Представлен характер взаимодействия и взаимозависимости продуктивности растений и эмиссии С02 Обобщены особенности выделения диоксида углерода в естественных и агроэкосистемах.

Глава 2. Почвенно-климатическая характеристика зоны проведения исследований

2.1. Абиотические условия региона.

Особенности климата Иркутской области зависят от физико-географических условий территории и атмосферной циркуляции. Климат резко континентальный. Самый холодный месяцем является январь (от -18 до -35°С), а самый теплый месяц - июль (+18 до +11 °С). Средняя продолжительность безморозного периода составляет около 95 дней. Среднее многолетнее количество осадков на территории области составляет 350-450 мм.

2.2. Эдафические факторы региона

Почвенный покров представлен серыми лесными почвами - 47.7%, дерново-карбонатными - 35.5%, черноземными - 7.4%, лугово-черноземными -3.2%, пойменными - 2.4%, дерново-подзолистыми- 1.9%, луговыми - 1.6%, прочие 0.3%.

Глава 3. Объекты и методы исследований 3.1. Объекты исследований

С целью изучения проблемы «Специфика выделения углекислого газа светло-серыми лесными почвами в экосистемах Предбайкалья» нами в период с 2011 по 2013 годы были проведены полевые и лабораторные исследования.

Полевые исследования проводились на опытном поле кафедры агроэкологии, агрохимии, физиологии и защиты растений Иркутской ГСХА.

Схема опыта:

1 - контроль (чистый пар)

2 - агроэкосистемы (горец растопыренный, свербига восточная, козлятник восточный, яровая пшеница)

3 - естественные экосистемы (лесной биогеоценоз, луговой биогеоценоз, залежь)

Опыты закладывались на светло-серых лесных почвах. Почвы характеризуются низким естественным плодородием. Для этих почв характерна кислая реакция среды - рН-5.5 и низкое содержание гумуса (1.8-2.1 %), общего азота (0.08-0.13 %), фосфора 26 мг на 100 г. почвы, калия 10 мг на 100 г почвы.

Площадь опытной делянки составляла 12 м2 (3x4). Повторность опыта четырёхкратная. В опытах использовались новые и малораспространенные многолетние травы 1,2,3,4-го года жизни: горец растопыренный (забайкальский), свербига восточная, козлятник восточный.

Горец растопыренный (забайкальский) (Polygonum divarication) — новое, интродуцируемое высокоурожайное, многолетнее кормовое и фитомелиоратив-ное растение семейства гречишных. Свербига восточная (Bunias orientalis) -новая перспективная кормовая и фитомелиоративная культура семейства капустных. Козлятник восточный (Galega orientalis) — высокопродуктивное многолетнее растение из семейства бобовых, с мощно развитой корневой системой (Хуснидинов, 1999).

Многолетние травы запахивались после четырех лет использования. Запашка многолетних трав проводилась во второй декаде июля. Обработка почвы - полупаровая, минеральные удобрения не использовались. Сроки посева многолетних трав - вторая декада мая.

В опытах использовались яровая пшеница сорта «Тулунская - 12». Сроки посева пшеницы — вторая декада мая, отбор снопов для определения структуры урожая — третья декада августа.

Лесной биогеоценоз представлял березовый лес, под пологом березы произрастали горошек мышиный, кострец луговой и разнотравье. Луговой биогеоценоз - растительное сообщество, представлено мятликом луговым, пыреем ползучим, кострецом безостым и разнотравьем. Залежь - в видовом составе ее были кострец безостый, пырей ползучий, мятлик луговой.

Чистый пар обрабатывался по типу черного, весной проводилось закрытие влаги, культивация и в начале лета — перепашка, в середине июля — повторная вспашка и в августе культивация и боронование.

3.2. Методы исследований

В период вегетации растений изучали накопление свежего органического вещества в корневых и поукосных остатках, влияние его разложения на «дыхание», плотность светло-серой лесной почвы и продуктивность зерновых культур.

Учёт количества углекислого газа из почвы проводили абсорбционным методом в модификации И.Н. Шаркова (1987). Одновременно проводили измерение температуры почвы в слое 0-10 см. Органическая масса растений, поступающая в почву, определялась по методике Н.З. Станкова (1969). Структуру почвы определяли по методу Н.И.Саввинова (Кауричев, 1986). Плотность почвы определялась по методу H.A. Качинского (Кауричев, 1986). Целлюлозо-разрушающую активность - методом аппликаций с закладкой льняного полотна в слой почвы 0-10 см с экспозицией 120 дней (Хазиев, 1990). Структуру урожая зерновых определяли по методике H.A. Майсуряна и др. (1971). Опытные данные обрабатывали методом дисперсионного и корреляционного анализа (Доспехов, 1985).

Глава 4. Особенности «дыхания» светло-серых лесных почв в экосистемах Предбайкалья 4.1. Специфика выделения углекислого газа в растительных

экосистемах

Особенностью естественных экосистем является то, что они по сравнению с агроэкосистемами обладают устойчивостью. Для них присуще большое видовое разнообразие. В естественных экосистемах происходит замкнутый круговорот вещества. Здесь ежегодно в большом количестве в почву поступает растительный опад, что оказывает большое влияние на «дыхание» почвы.

Наблюдения, проведенные в экспериментальных экосистемах в течение вегетационных сезонов 2011-2013 гг. свидетельствовали о неравномерности процессов выделения С02(табл. 1).

Наиболее высокая интенсивность выделения углекислого газа из почвы имело место в естественных экосистемах. Максимальный показатель выделения углекислого газа за весь период наблюдений зафиксирован в варианте: луговой биогеоценоз (1011 г/м2). Наименьшее выделением диоксида углерода из почвы было характерно для варианта: чистый пар (493 г/м2).

Пик «выброса» диоксида углерода приходился на третью декаду июля, как в агроэкосистемах, так и в естественных экосистемах. Минимальные значения эмиссии углекислого газа в агроэкосистемах были зафиксированы в третьей декаде мая, а минимальные показатели выделения СО, в естественных экосистемах отмечались в первой декаде сентября. В этот период времени среднесуточная температура воздуха снижалась, особенно ночные температуры. Вслед за этим снижалась и микробиологическая активность почвы (рис.1, рис.2).

Таблица 1 — Эмиссия углекислого газа из светло-серых лесных почв в естественных и агроэкосистемах, 2011-2013 гг., г/м2

Дата проведения учета выделения СОг Сумма

Вариант Годы 25.05 10.06 25.06 10.07 25.07 10.08 25.08 10.09 за весь

26.05 11.06 26.06 11.07 26.07 11.08 26.08 11.09 период

Чистый пар (контроль) 2011 2.4 3.4 4.4 2.4 4.8 3.0 2.2 5.8 354

2012 3.3 3.8 6.5 8.5 7.1 5.9 4.8 4.5 618

2013 2.5 2.5 3.1 6.9 4.9 9.2 3.7 5.6 509

Среднее 2.7 3.2 4.7 5.9 5.6 6.0 3.6 5.3 493

Козлятник 2011 4.2 7.7 8.4 3.6 4.5 5.8 5.1 3.4 607

восточный 2012 5.4 5.9 6.9 5.2 7.3 6.3 7.2 7.7 691

2013 5.2 4.0 8.3 9.4 8.5 5.9 5.5 5.9 727

Среднее 4.9 5.9 7.9 6.1 6.8 6.0 5.9 5.7 675

Горец 2011 3 8 6.9 5.0 3.1 3.3 4.0 4.9 3.2 480

забайкальский 2012 4.7 4.3 4.5 4.5 8.4 6.2 5.3 6.1 593

2013 4.3 3.0 5.8 5.5 6.2 7.7 5.1 4.8 584

Среднее 4.3 4.7 5.1 4.7 6.0 6.0 5.1 4.7 552

Свербига восточная 2011 4.0 5.0 4.9 4.1 3.5 5.0 4.4 5.8 481

2012 4.9 5.8 5.0 4.2 8.9 5.4 5.8 6.1 626

2013 5.3 7.5 6.1 6.4 7.9 7.5 5.2 5.8 605

Среднее 4.7 6.1 5.3 4.9 6.8 6.0 5.1 5.9 571

Залежь 2011 6.2 7.5 11.0 6.2 9.5 9.3 7.0 5.5 879

2012 7.5 8.4 10.1 13.2 13.2 6.8 6.5 6.8 1020

2013 5.5 6.2 9.5 8.0 9.6 7.3 5.8 6.0 805

Среднее 6.4 7.4 10.2 9.1 10.8 7.8 6.4 6.1 901

Луговой биогеоценоз 2011 7.4 7.8 11.9 6.9 10.7 9.7 7.2 5.9 955

2012 8.1 9.3 12.7 9.9 17.0 6.8 7.1 6.0 1094

2013 9.7 7.4 9.2 12.7 10.9 7.6 6.6 6.1 984

Среднее 8.4 8.2 11.3 9.8 12.9 8.0 7.0 6.0 1011

Лесной биогеоценоз 2011 6.2 6.5 10.9 7.4 8.3 11.0 6.8 6.5 884

2012 5.1 6.3 6.3 8.4 117 7.8 6.9 4.9 816

2013 6.6 6.4 9.4 10.4 10.9 8.2 6.7 6.3 910

Среднее 6.0 6.4 8.9 8.7 10.3 9.0 6.8 5.9 870

коллятнпъ: восточный свербига восточная

горец забайкальский

чистый пар

Рис. 1. Динамика эмиссии С02 в посевах многолетних трав и в пару, г/м2

Наблюдения показали, что общий сезонный максимум эмиссии углекислого газа приходится на период максимального роста растений, либо совпадает с моментом интенсивного разложения вновь поступившего растительного опада. Анализ интенсивности «дыхания» почвы по годам показал, что макси-

•лалежь

луговой биогеоценоз лесной биогеоценоз чистый пар

Рис. 2. Динамика эмиссии С02 в естественных экосистемах и в пару, г/м2

мальное количество, выделившегося С02, было зафиксировано в луговом биогеоценозе в 2012 г. Величина эмиссии углекислого газа составила 1094 г/м2.

Итоговое количество С02 в варианте чистый пар, было минимальным в 2011 году (354 г/м2). Такие показатели «дыхания» почвы связаны с отсутствием поступления свежего органического вещества в поле чистого пара.

Проведенные исследования показали, что процессы выделения углекислого газа в посевах яровой пшеницы, размещенной после чистого пара и многолетних трав, имели свои специфические особенности (табл.2).

Таблица 2 - Влияние предшественников на «дыхание» светло-серой лесной _почвы в посевах яровой пшеницы, 2008-2012 гг., г/м2

Предшественники Годы Дата проведения учета выделения СО?

10.06 11.06 25.06 26.06 10.07 11.07 25.07 26.07 10.08 11.08 Сумма за весь период

Чистый пар (контроль) 2008 5.4 6.7 3.2 7.3 4.6 351

2009 4.5 8.2 5.5 4.0 4.9 342

2010 4.2 10.3 2.0 6.0 9.7 353

2011 5.2 11.0 3.5 4.8 7.7 380

2012 6.1 6.8 5.0 6.5 5.5 378

Среднее 5.1 8.6 3.8 5.7 6.5 361

Козлятник восточный 2008 6.9 9.9 3.8 10.2 9.6 482

2009 5.0 10.8 10.2 3.5 9.4 455

2010 5.0 13.7 5.7 6.3 9.4 476

2011 6.1 18.8 4.2 7.6 9.6 568

2012 6.8 9.1 7.0 8.9 6.0 492

Среднее 6.0 12.5 6.2 7.3 8.8 495

Горец растопыренный 2008 64 10.2 4.3 10.5 9.7 491

2009 6.0 9.2 11.2 4.3 10.6 476

2010 4.3 10.5 5.4 7.0 9.6 425

2011 5.7 14.0 3.9 7.5 8.4 482

2012 6.6 9.4 7.2 8.9 6.4 497

Среднее 5.8 10.7 6.4 7.6 8.9 474

2008 6.6 10.0 4.9 9.9 10.1 491

2009 5.5 8.4 12.4 4.4 11.5 476

2010 4.9 11.2 5.6 6.8 9.4 444

2011 6.2 13.5 4.0 7.7 8.0 487

2012 6.5 8.8 6.8 8.5 6.2 474

Среднее 6.0 10.4 6.7 7.5 9.0 474

Приведенные многолетние экспериментальные данные свидетельствуют о том, что наиболее высокое выделение углекислого газа из почвы имело место в вариантах опыта при размещении пшеницы после многолетних трав. Превышение среднего показателя количества диоксида углерода, выделившегося из почвы в поле пшеницы при посеве её после многолетних трав, составило 37.1 %

Анализ интенсивности «дыхания» почвы по годам показал, что максимальное количество, выделившегося С02 в агробиогеоценозах яровой пшеницы, было зафиксировано в 2011 году - 568 г/м2, при посеве её после козлятника восточного.

Минимальное количество углекислого газа, выделившегося в посевах яровой пшеницы, мы отмечали в 2009 году в варианте чистый пар (контроль) -342 г/м2, что намного ниже, чем в вариантах с многолетними травами.

Проведенные исследования, свидетельствовали о неравномерном выделении С02 по декадам. Пик «выброса» диоксида углерода приходился на третью декаду июня, как в посевах яровой пшеницы, размещенной после многолетних трав, так и в поле пшеницы, размещенной по чистому пару. Высокие показатели дыхания почвы были зафиксированы в первой декаде августа, минимальные значения эмиссии углекислого газа были отмечены в первой декаде июня. На протяжении всего периода наблюдений эмиссия углекислого газа из светло-серых лесных почв была меньшей в агробиогеоценозах яровой пшеницы, размещенных по чистому пару.

ЧИСТЫЙ П:ф

J -Kft'tlflTHlIK

i восточный

J — горец

растопыренным £ -свербига восточная

Рис. 3. Динамика эмиссии С02 в посевах пшеницы, г/м2

На протяжении всего периода исследований выделение диоксида углерода было большим в агробиогеоценозах яровой пшеницы, размещенной по многолетним травам, это связано с положительным влиянием многолетних трав на элементы плодородия почв и накопление органического вещества (рис.3).

4.2. Зависимость процессов выделения С02 от поступления и разложения свежего органического вещества В.Р. Вильяме (1951), В.П. Мосолов (1950), А.И.Кузнецова (1961) установили, что степень воздействия на элементы плодородия почв зависит от вида растений. По их мнению, возделывание зерновых и пропашных культур приводит к ухудшению плодородия почв, а посевы многолетних трав оказывают многостороннее положительное влияние на его улучшение.

Органическое вещество, его содержание в почве и качественный состав во многом определяют ее агрономические свойства

Нами производилась оценка накопления органического вещества: поукос-ных остатков, растительного опада, корневой системы в посевах многолетних трав и растительного опада в естественных экосистемах.

Наблюдения и учеты запасов и величины поступления растительного опада в естественных экосистемах показали, что в лесном биогеоценозе в среднем за годы исследований на поверхность почвы поступало 1,5 т/га сухого органического вещества в год.

По данным Ш.К. Хуснидинова (1997) запасы гумуса в светло-серых лесных почвах в лесном биогеоценозе слой почвы 0-20 см составляли 5.8 %, 2040 см - 60%.

Интенсивность накопления и величина органической массы в лесном биогеоценозе положительно влияет на характер выделения СОг

В луговом биогеоценозе величина растительного опада, вследствие ежегодного отчуждения растительной массы и использования её на кормовые цели, была меньшей и составляла 1.2 т/га год.

Характер использования растительной массы в залежном биогеоценозе (25 лет) сформировавшегося урожая был аналогичным, однако величина растительного опада составила лишь 1.1 т/га. По сравнению с луговым биоценозом величина выделения углекислого газа была меньше.

Учеты, проведенные в посевах многолетних трав, свидетельствуют о том, что максимальное количество органического вещества, поступившего в почву за 4 года, отмечалось в посевах горца растопыренного и составило 42.5 т/га. Накопление растительных остатков в посевах козлятника восточного было минимальным -38.1 т/га (табл.3).

Таблица 3 - Формирование общей биомассы органических остатков новых и малораспространенных растений, т/га

Растение Год жизни Корневые остатки 0-40 см. Растительньй опад I Поукосные остатки Итого:

Горец растопыренн ый Первый Второй Третий Четвертый 2.7 4.7 6.4 9.0 0.9 3.0 4.7 5.2 0.5 1.2 1.9 2.3 4.1 8.9 13.0 16.5

Итого: 22.8 13.8 5.9 42.5

Свербига Восточная Первый Второй Третий 1.8 4.6 6.4 1.4 2.6 3.9 0.8 1.6 1.4 4.0 8.8 11.7

Четвертый 8.4 4.9 2.4 15.7

Итого: 21.2 12.8 6.2 40.2

Козлятник Восточный Первый Второй Третий Четвертый 1.5 3.5 5.5 7.8 1.1 3.1 4.9 5.5 0.4 1.1 16 2.1 3.0 7.7 12.0 15.4

Итого: 18.3 14.6 5.2 38.1

Опыты показали, что основная масса корней исследуемых растений формируется в верхних слоях почвы. Корни растений после завершения вегетации обогащают почву органическим веществом.

Наибольшее количество общей биомассы корневых остатков зафиксировано в посевах горца растопыренного — 22.8 т/га. Масса корневых остатков козлятника восточного была наименьшей — 1 8.3 т/га (рис.4).

-и год

2-п год

.і-И год

рЁРкКт ■■--УК

МшЮго

4-й год

а горец 8й свербига козлятник

Рис. 4. Динамика накопления биомассы корневых остатков многолетних

растений, т/га

Наибольшее накопление растительного опада нами отмечалось в посевах козлятника восточного — 14.6 т/га, наименьшее накопление было зафиксировано в посевах свербиги восточной (рис.5).

< .

и горец я свербига ■ козлятник

1 -й год

:-п год

і-кгод 4-й год

Рис. 5. Динамика накопления растительного опада многолетних растений,

т/га

Представленные данные свидетельствуют о том, что величина поукосных остатков в изучаемых агрофитоценозах была максимальной в посевах свербиги восточной - 6.2 т/га (рис.6).

Учеты динамики поступления свежего органического вещества показали, что многолетние травы после четырех лет возделывания в виде корневых и пожнивных остатков накапливали в среднем 40.3 т/га сухой биологической массы.

1-й год 2-й год 3-й год -1-й год Рис. 6. Динамика накопления поукосных остатков многолетних растений,

т/га

Основная доля накопленного органического вещества приходится на корневую систему растений. Она составляет 53.6% от общего количества сухого органического вещества, поступившего в почву. На поукосные остатки приходится 32.5 %, и 13.9 % на растительный опад (рис.7).

53,6%

о Растительный опад И Поукосные остатки □ Корневая система

Рис. 7. Формирование общей биомассы поукосных остатков, растительного

опада и корней козлятника восточного, % (среднегодовые значения)

В период экспериментальных исследований нами проводились опыты, связанные с моделированием процессов интенсивности разложения органического вещества.

Опыты по разложению органического вещества осуществлялись посредством закладки в почвенный профиль серой лесной почвы льняной ткани на глубину 10 см. Учет разложения льняной ткани нами проводился в течение вегетационного периода через каждые 30 дней.

Нами осуществлялся учет интенсивности разложения растительных остатков по убыли исходной массы. Разность в массе образцов указывает на количественное изменение растительного материала и интенсивность разложения его в условиях опыта (табл.4).

Наибольшая степень распада льняной ткани отмечена в варианте: чистый пар - 83.9%, что является показателем интенсивности минерализационных процессов и отсутствие консервации органического вещества. Наименьшие показатели степени разложения отмечались в посевах многолетних трав: свер-

Таблица 4 - Степень распада льняного полотна

Вариант Годы Глубина закладки ткани,см Масса сухой ткани, г Разложение ткани, % к исходной массе

I исходная через один месяц через два месяца через три месяца через один месяц через два месяца через три месяца

Чистый пар 2011 10 3.00 2.15 1.74 0.95 28.3 42.0 68.3

2012 10 3.00 1.38 1.01 0.10 54.0 66.3 96.7

2013 10 3.00 1.74 1.60 0.40 42.0 46.7 86.7

Среднее 1.76 1.45 0.48 41.4 51.7 83.9

Козлятник восточный 2011 10 3.00 2.70 2,32 1.57 10.0 22.7 47.7

2012 10 3.00 2.64 1.79 1.28 12.0 40.3 57.3

2013 10 3.00 2.56 2.09 1.70 14.7 30.3 43.3

Среднее 2.63 2.07 1.52 12.2 31.1 49.4

Горец забайкальский 2011 10 3.00 2.80 2.64 1.90 6.7 12.0 36.7

2012 10 3.00 2.75 2.50 1.93 8.3 16.7 35.7

2013 10 3.00 2.86 2.61 2.22 4,7 13.0 26.0

Среднее 2.80 2.58 2.02 6.6 13.9 32.8

Свербига восточная 2011 10 3.00 2.90 2.45 2.02 3.3 18.3 32.7

2012 10 3.00 2.74 2.29 1.86 8.7 23.7 38.0

2013 10 3.00 2.93 2.36 2.00 2.3 21.3 33.3

Среднее 2.86 2.37 1.96 4.8 21.1 34.7

Залежь 2011 10 3.00 2.60 1.65 0.88 13.3 45.0 70.7

2012 10 3.00 2.30 1.34 0.52 23.3 55.3 82.7

2013 10 3.00 2.54 1.50 0.53 15.3 50.0 82.3

Среднее 2,48 1.50 0.64 17.3 50.1 78.6

2011 10 3.00 2.90 2.34 1.80 3.3 22.0 40.0

2012 10 3.00 2.80 2.12 1.94 6.7 29.3 35.3

2013 10 3.00 2.90 2.21 0.75 3.3 26.3 75.0

Среднее 2.87 2.22 1.50 4.4 25.9 50.1

2011 10 3.00 2.95 1.95 1.56 1.7 35.0 48.0

2012 10 3.00 2.92 1.58 1.43 2.6 47.3 52.3

2013 10 3.00 2.72 1.82 0.89 9.3 39.3 70.3

Среднее 2.86 1.78 1.29 4.5 40.5 56.9

биги восточной и горце забайкальском - 34.7% и 32.8% соответственно.

В естественных экосистемах убыль исходной массы, составила: в луговом биогеоценозе - 50.1%, лесном биогеоценозе - 56.9%. Эти показатели отражают присутствие и активность микрофлоры, разлагающей целлюлозу.

Интенсивность минерализации органического вещества определяется по степени и скорости распада льняной ткани.

Определение интенсивности разложения растительного материала методом льняных полотен более объективно отражает состояние и активность микрофлоры почвы в естественных условия поля.

Разложение естественных источников целлюлозы - льняного волокна, дает основание для выводов о специфике процесса трансформации органического вещества на светло-серых лесных почвах региона.

Разложение льняного волокна дает достаточно точное представление об интенсивности процессов разложения органического вещества и связанного с ним выделения углекислого газа.

Обогащение почвы органическим веществом и последующее его разложение способствовало интенсивному «дыханию» почвы и выделению углекислого газа. Причем в поле пшеницы, размещенной после многолетних трав, количество С02 было значительно выше, чем в поле пшеницы, размещенной после чистого пара.

Проведенные исследования показали, что эмиссия СО тесно связана с содержанием свежего органического вещества в почве, на накопление которого большое влияние оказывали высокопродуктивные многолетние травы.

Расчёт коэффициента корреляции указывает на сильную положительную связь между накоплением органического вещества и выделением диоксида углерода (г = 0.81 + 0.1) (рис.8).

565 - «• 568-

65 4— -..........—-—-----—.............г .-..1.......

35 56 3 7 ЗК 39 40 41 Органическое вещество, т/га

Рис. 8. Зависимость между накоплением органического вещества и количеством выделившегося углекислого газа

4.3. Влияние плотности почвы на характер выделения углекислого газа

На переуплотненных почвах, утративших свою структуру, при недостаточном воздухообмене может создаваться высокая концентрация С02 в при-почвенном воздухе. Это явление отрицательно сказывается на жизнедеятельности семян, корней и урожай растений.

Структура почвы влияет на ряд важнейших свойств почвы, что, в конечном итоге, сказывается на продуктивности звеньев севооборота. В структурной почве по сравнению с бесструктурной создаются более благоприятные условия водного, воздушного, теплового и пищевого режимов (Кауричев, 1986).

Хорошая оструктуренность почвы была характерна для почв в естественных фитоценозах, коэффициент структурности составил от 4.62 до 6.16 и в посевах пшеницы, размещенной после козлятника восточного коэффициент структурности составил 8.36. В агрофитоценозах он составил от 3,9 до 6,91.

Объемная масса является важнейшей физической характеристикой почвы. Величина её зависит от плотности сложения почвенных частиц, структурнос-

ти, содержания гумуса, минералогического состава и обработки почвы (Кау-ричев,1986).

Самая низкая плотность почвы отмечена в лесном биогеоценозе в слое почвы 0-10 см. Самая высокая плотность зафиксирована в посевах козлятника восточного в слое почвы 10-20 см.

В естественных экосистемах самая низкая плотность отмечалась в верхних горизонтах. Высокая плотность была в слое почвы 10-20 см.

Чем плотнее почва и меньше в ней содержания гумуса, тем больше её объемная масса. Самую низкую плотность имеют верхние гумусированные и оструктуренные горизонты.

В посевах козлятника восточного прослеживалась та же закономерность, что и в естественных экосистемах. Однако в посевах горца растопыренного и свербиги восточной мы отмечали меньшую объемную массу в слое почвы 1020 см, а верхний горизонт 0-10 см имел большую объемную массу.

Экспериментальные многолетние травы имеют мощную корневую систему, которая дренирует пахотные горизонты на большую глубину, тем самым влияя на накопление органического вещества и плотность почвы.

В варианте чистый пар объёмная масса характеризовалась примерно равными показателями - как в слое почвы 0-10, так и 10-20 см. Это объясняется периодическими обработками, что нарушает сложение почвенных горизонтов.

Благоприятные условия водного, воздушного, теплового и пищевого режимов складываются в почве, имеющей рыхлое и уплотненное состояние при величине объемной массы пахотного слоя 0.9 — 1.3 г/см3.

Нами проводились опыты по определению твердой фазы почвы. Эта величина зависит от минералогического состава почвы и содержания гумуса. Чем богаче почва гумусом, тем меньше плотность твердой фазы.

Плотность твердой фазы пахотного слоя черноземных почв с содержанием гумуса 6-8% колеблется в пределах 2.50 - 2.65 г/см3. В малогумусных почах эта величина выше - 2.65 - 3.00 г/см3.

Пористость (скважность) почвы - это суммарный объем всех пор между частицами твердой фазы почвы. Проведенные расчеты показали, что наибольшая пористость была в лесном биогеоценозе в слое почвы 0-10 см. Самая низкая - в посевах козлятника восточного в слое почвы 10-20 см.

В естественных экосистемах наибольшая пористость отмечалась в верхних горизонтах, несколько ниже - в слое почвы 10-20 см.

В посевах козлятника восточного прослеживалась та же закономерность, что и в естественных экосистемах. Однако, в посевах горца растопыренного и свербиги восточной мы отмечали наибольшую пористость в слое почвы 10-20 см., а в верхнем горизонте пористость уменьшалась.

В варианте чистый пар общая пористость была одинакова как в слое почвы 0-10, так и 10-20 см. Это объясняется периодическими обработками почвы.

4.4. Динамика выделения диоксида углерода из почвы в зависимости от абиотических условий региона

Климатические особенности на территории Иркутского района определены широтным положением на юге области, расчлененным рельефом и регулирующим влиянием таких водных объектов, как озеро Байкал и Иркутское водохранилище (Беркин, 1993).

ШШш JÜ8

i \ ЙЕ =iT ® , ¡¡¡И! ' * 3S- ¡¡¡Ь

20 ( я норма

«май »TCKtra. июль es август ** сентябрь

Рис. 9. Среднедекадная температура воздуха (мет. Пивовариха, Иркутский НИИСХ)

В годы проведения исследований отмечалось повышение температуры воздуха за вегетационный период и снижение суммы атмосферных осадков. По многолетним данным средняя температура вегетационного периода составляет 12.5°С, в 2011 г. температура составила 14.7°С, в 2012г. - 13.8 °С, в 2013г. — 12.6°С. Сумма осадков в летний период за годы исследований были ниже среднемноголетних: 2011г. - 248.0 мм, 2012г. - 263.5 мм, 2013г. - 190.5 мм, при норме 345.7 мм.

120

100

SO

so

40

20

О

и Mint ss нюнь июль »август w сентябрь

Рис. 10. Среднедекадное количество осадков (мет. Пивовариха, Иркутский НИИСХ)

Подъемы и спады интенсивности дыхания почвы обуславливаются усилением или ослаблением микробиологической активности, которая, в свою очередь, зависит от гидротермических условий и поступления в почву разлагаемого органического вещества Основная продукция СО почвами приходится на вегетационный период. Но выделение С02в атмосферу наблюдается сразу после оттаивания почвы и вплоть до ее замерзания (Ларионова, 1993).

Изменение температуры и влажности почвы влияют, с одной стороны, на физическое состояние почвы, с другой - на интенсивность биологических процессов в почве, т. е. интенсивность продуцирования С02 и поглощения О,, что

Годы Дата проведения учета г °С

25.05 10.06 25.06 10.07 25.07 10.08 25.08 10.09

2011 15 18 23 18 16 19 16 16

2012 16 20 24 20 24 20 18 18

2013 15 19 22 21 23 21 17 16

Среднее 15 19 23 19 21 20 17 17

приводит к изменению состава почвенного воздуха и интенсивности дыхания почвы.

:о

15

ЇмЄ^Л.- і

........ дцц'ягтугииии і 1

- Температуро почвы -Чистый пар "Козлятник восточный

:________ .....■■ ■ —Горецзлоат-альсыш

---Свербига восточная

■ Залежь

К К ^ и I ^ к

£5 д д § § § § % Луговой биогеоценоз

/Г ^ О <(~. о

г] 2 м 2 ¡0 ~1 м — Лесной биогеоценоз

Рис. 11. Динамика выделения СО,, в зависимости от температуры почвы

Наблюдения показали, что динамика выделения СО, зависела от температуры почвы (рис. 11).

4.5. Продуктивность агроэкосистем в зависимости от интенсивности

выделения С02

Приведенные многолетние экспериментальные данные свидетельствуют о том, что наиболее высокие показатели урожайности яровой пшеницы были получены в вариантах опыта при размещении её после многолетних трав (табл.6).

Таблица 6 - Урожайность яровой пшеницы, 2008-2012 гг., т/га

Предшественник Годы Среднее

2008 2009 2010 2011 2012

Чистый пар(контроль) 3.08 2.16 2.84 3.15 2.91 2.83

Козлятник восточный 3.62 2.96 3.58 4.16 4.23 3.71

Свербига восточная 3.35 2.88 3.42 3.78 3.70 3.43

Горец забайкальский 2.94 2.20 3.31 3.46 3.24 3.03

Анализ урожайности пшеницы в среднем за годы исследований показал, что при посеве её после козлятника восточного, она составила 3.71 т/га, что выше урожайности пшеницы, размещенной после чистого пара на 0.88 т/га или на 31.1 %

Расчёт коэффициента корреляции указывает на сильную положительную связь между урожайностью яровой пшеницы и эмиссией углекислого газа (г = 0.86 ±0.09) (рис.12).

количество углекислого газа —Лшшя тренда

■2 165

65 ■ 0.9

Рис. 12. Зависимость между количеством выделившегося углекислого газа и урожайностью яровой пшеницы

Глава 5. Экономическая и энергетическая эффективность

5.1. Экономическая эффективность влияния углекислого газа на продуктивность сельскохозяйственных культур

Экономическая оценка результатов исследований позволяет утверждать, что воздушные свойства светло-серых лесных почв, как важнейший показатель плодородия, положительно влияет на продуктивность агроэкосистем.

Таблица 8 - Экономическая эффективность новых и малораспространенных многолетних растений, используемых в качестве предшественников

Показатели Варианты опыта

Пар пшеница Горец пшеница Свербига пшеница Козлятник пшеница

1 Урожайность, т/га Предшественника Пшеницы 3.15 3.69 3.46 5.73 3.78 5.77 4.16

2 Производственные затраты, руб/га 7788 16176,5 16647 15374

3 Себестоимость з.ед., руб/т 2099 4384 2905 2664

4 Стоимость продукции по рыночным ценам, руб/га 14175 24794 31335 30260

5 Условно чистый доход, руб/га 6387 8618,5 14688 14886

6 Уровень рентабельности, % 82 53,0 88,0 97

Важнейшим показателем эффективности многолетних растений является себестоимость одной тонны зерновых единиц. Себестоимость одной тонны зерновых единиц в звене многолетние травы - пшеница была ниже, а чистый доход был значительно выше. В качестве итогового показателя эффективности новых растений рассчитывалась рентабельность (прибыльность). Возделываемые растения имели высокую рентабельность производимой продукции. Наиболее высокий уровень рентабельности производства обеспечивало возделывание козлятника восточного.

1,9 .2.9 3.9 4.9

> рожашшсть. т га

5.2. Энергетическая эффективности возделывания новых и малораспространенных растений

Расчеты энергетической эффективности показали, что возделывание многолетних растений сопровождалось значительно более высоким по сравнению с чистым паром приходом и экономией энергии. Отмечался положительный баланс между приходом совокупной энергии и её расходом (табл.9).

Таблица 9 - Энергетическая эффективность звеньев севооборотов с участием новых и малораспространенных многолетних растений

Предшественник Выход энергии ГДж/га Затраты совокупной энергии ГДж/га Энергетическая эффективность

Горец растопыренный 65.52 27.56 2.36

Свербига восточная 72.24 34.62 2.08

Козлятник восточный 84.27 36.41 2.31

Чистый пар 34.12 41.82 0.81

Возделывание и использование новых и малораспространенных многолетних растений обеспечивало значительно более высокое производство и накопление энергии. Наиболее высокий выход энергии отмечался при возделывании козлятника восточного — 84,27 ГДж/га.

Выводы

1. Проведенные исследования показали, что наиболее высокая интенсивность выделения углекислого газа отмечалась в естественных экосистемах: луговом биогеоценозе - 1011 г/м2, лесном биогеоценозе - 870 г/м2, залежи -901 г/м2. Наименьшее выделение диоксида углерода из почвы отмечалось в варианте опыта: чистый пар - 493 г/м2.

2. Исследования по учету эмиссии С02 в посевах яровой пшеницы показали, что наиболее высокая интенсивность выделения углекислого газа отмечалась при посеве её после многолетних трав: козлятник восточный - 495 г/м2, горец растопыренный - 490 г/м2, свербига восточная - 478 г/м2. Наименьшее выделение диоксида углерода в посевах яровой пшеницы отмечалось в варианте опыта при размещении её после чистого пара - 361 г/м2.

3. Интенсивность «дыхания» в агроэкосистемах связана с накоплением органической массы. Многолетние травы синтезируют большое количество органического вещества в корневых и поукосных остатках. Многолетние травы за 4 года вегетации оставляют в почве в среднем 40.3 т/га сухих органических остатков. Интенсивность «дыхания» в поле чистого пара связана с обработкой почвы. Установлена сильная корреляционная зависимость между количеством органического вещества, накопленного в почве и эмиссией углекислого газа (г = 0.81 ±0.1).

4. Наибольшая степень распада льняной ткани отмечена в варианте: чистый пар - 83,9%. Показатели степени её разложения в посевах многолетних трав были следующие: козлятник восточный - 49.4%, свербига восточная -

34.7% и горец забайкальский - 32,8%

5. Учет урожайности яровой пшеницы показал, что на ее величину в значительной мере влияет количество выделившегося СОг За годы проведенных исследований превышение среднего показателя урожайности пшеницы при посеве её после многолетних трав над показателем урожайности пшеницы, посеянной после чистого пара составило 31.1 %. Установлена сильная корреляционная зависимость между количеством углекислого газа, выделившегося из светло-серых лесных почв и урожайностью яровой пшеницы (г = 0.86 +.0.09).

6. Интенсивность выделения углекислого газа зависит от температуры почвы и количества выпадающих осадков. Максимальное выделение углекислого газа отмечалось в середине лета, в наиболее теплый период времени и максимального количества выпадающих осадков.

7. Сравнительные показатели выделения диоксида углерода свидетельствуют о том, что его интенсивность связана со степенью оструктуренности и уплотненности почвы. Наиболее рыхлое сложение нами отмечалось в естественных экосистемах.

8. Анализ экономической эффективности показал, что экспериментальные звенья полевых севооборотов обеспечивали получение более высокого дохода и уровня рентабельности.

9. Коэффициент энергетической эффективности в севообороте с участием чистого пара составил 0.81, в то время как в звеньях севооборота с участием многолетних растений он составил от 2.08 до 2.37.

Предложения производству

1. Интенсивность выделения углекислого газа положительно влияет на процессы воздушного питания (фотосинтеза) растений от которого зависит продуктивность возделываемых растений

2. Для улучшения воздушных свойств светло-серых лесных почв рекомендуется использование в системе зональных севооборотов биологического потенциала новых и малораспространенных трав, интродуцируемых в регионе: козлятник восточный, горец забайкальский, свербига восточная.

3. Новые и малораспространенные растения (козлятник восточный, свербига восточная, горец забайкальский) в системе полевых севооборотов рекомендуется возделывать в течение 4 лет и использовать как средство улучшения физических, биологических и воздушных свойств светло-серых лесных почв.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1.Матвеева Е.В. Специфика «дыхания» светло-серой лесной почвы под влиянием новых и малораспространенных многолетних трав / Е.В. Матвеева, Ш.К. Хуснидинов, Н.В. Матвеева//Ресурсосберегающие технологии производства экологически безопасной сельскохозяйственной продукции: Мат-лы на-учн.-практ. семин., посвящ. 75-летию со дня рождения профессора Хусниди-нова Ш.К. - Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2011. - С 25-30.

2. Матвеева Е.В. Влияние пласта многолетних трав на эмиссию СО, в агробиогеоценозах яровой пшеницы в условиях Предбайкалья/ Е.В.Матвеева, Ш.К. Хуснидинов, Н.В. Матвеева, Е.И. Романчук//Научные исследования студентов в решении актуальных проблем АПК: Мат-лы студенч. науч.-практ. конф. с международным участием. Часть 2. — Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2012. - С 273-276.

3. Матвеева Е.В. Особенности «дыхания» светло-серой лесной почвы под влиянием многолетних трав в агробиогеоценозах яровой пшеницы в условиях Предбайкалья / Е.В. Матвеева, Ш.К. Хуснидинов, Н.В. Матвеева//Научные исследования и разработки к внедрению в АПК: Мат-лы межд. науч.-практ. конф. молодых ученых. - Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2012. - С 118-124.

4. Матвеева Е.В. Эмиссия С02 из светло-серых лесных почвах в агробиогеоценозах многолетних трав Предбайкалья / Е.В. Матвеева, Ш.К. Хуснидинов, Н.В. Матвеева//Научные исследования и разработки к внедрению в АПК. Мат-лы науч.-практ. семин., посвященному Дню аспиранта ИрГСХА. — Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2013. - С 174-176.

5. Матвеева Е.В. «Дыхание» светло-серой лесной почвы в биогеоценозах Предбайкалья / Е.В. Матвеева, Ш.К. Хуснидинов, Н.В. Матвеева//Научные исследования и разработки к внедрению в АПК: Мат-лы межд. науч.-практ. конф. молодых ученых. — Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2013. — С 32-36. _

6. Матвеева Е.В. Особенности выделения углекислого газа в посевах новых и малораспространенных растений в условиях Предбайкалья / Е.В.Матвеева, Ш.К. Хуснидинов, Н.В.Матвеева //Экологическая безопасность и перспективы развития аграрного производства Евразии: Мат-лы межд. науч.-практ. конф., посвящ. 60-летию аспирантуры ИрГСХА. - Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2013.-С 34-37.

7. Матвеева Е.В. Выделение С02 в экосистемах Предбайкалья / Е.В.Матвеева, Ш.К. Хуснидинов, Н.В.Матвеева // Экологическая безопасность и перспективы развития аграрного производства Евразии: Мат-лы межд. науч.-практ. конф., посвящ. 60-летию аспирантуры ИрГСХА. — Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2013.-С 44-48.

8. Матвеева Е.В. Влияние плотности почвы на характер выделения углекислого газа / Е.В.Матвеева, Ш.К. Хуснидинов, Н.В.Матвеева // Экологическая безопасность и перспективы развития аграрного производства Евразии: Мат-лы межд. науч.-практ. конф., посвящ. 60-летию аспирантуры ИрГСХА. -Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2013. - С 50-52.

9. Матвеева Е.В. Специфика эмиссии С02 в посевах многолетних трав на светло-серых лесных почвах Предбайкалья / Е.В.Матвеева, Ш.К. Хуснидинов // Научно-практический журнал «Вестник ИрГСХА», 2013. — Выпуск 59. — С.21-27.

10. Матвеева Е.В. Интенсивность выдления С02 в экосистемах Предбайкалья / Е.В.Матвеева, Ш.К. Хуснидинов // Научно-теоретический журнал «Вестник БГСХА», 2013. - Выпуск № 4 (33). - С.83-85.

Подписано в печать 14.11.2013. Бумага офс. №1. Формат 60x84 1/16. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 1073. Цена договорная.

Издательство ФГБОУ ВПО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В. Р. Филиппова» 670034, г. Улан-Удэ, ул. Пушкина, 8 e-mail: rio_bgsha@mail.ru

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Матвеева, Евгения Валерьевна, Улан-Удэ

ФГБОУ ВПО ИРКУТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

04201453440

Матвеева Евгения Валерьевна

СПЕЦИФИКА ВЫДЕЛЕНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА СВЕТЛОСЕРЫМИ ЛЕСНЫМИ ПОЧВАМИ В ЭКОСИСТЕМАХ

ПРЕДБАЙКАЛЬЯ

06.01.01 - Общее земледелие, растениеводство

Диссертация на соискание учёной степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Хуснидинов Шарифзян Кадирович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ВЫДЕЛЕНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В РАСТИТЕЛЬНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ 8

ГЛАВА 2. ПОЧВЕННО-КЛИМАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗОНЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 27

2.1. Абиотические условия региона 27

2.2. Эдафические факторы региона 37 ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 47

3.1. Объекты исследований 47

3.2. Методы исследований 52

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ «ДЫХАНИЯ» СВЕТЛО-СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ В ЭКОСИСТЕМАХ ПРЕДБАЙКАЛБЯ 54

4.1. Специфика выделения углекислого газа в растительных экосистемах 54

4.2. Зависимость процессов выделения СОг от поступления и разложения свежего органического вещества 67

4.3. Влияние плотности почвы на характер выделения углекислого газа 84

4.4. Динамика выделения диоксида углерода из почвы в зависимости от абиотических условий региона 91

4.5. Продуктивность агроэкосистем в зависимости от интенсивности выделения С02 101

ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ 104

5.1. Экономическая эффективность влияния углекислого газа на продуктивность сельскохозяйственных культур 104

5.2. Энергетическая эффективность возделывания новых и малораспространенных растений 106

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 108

ЛИТЕРАТУРА 111

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований.

В наземных экосистемах углекислый газ атмосферы на 25-40 % имеет почвенное происхождение (Смагин, 2005). По данным Г.В. Добровольского (2003) этот показатель достигает 90% .

В биогеохимическом круговороте углерода почве принадлежит основная роль, поскольку она служит важнейшим накопителем органического вещества, представленного органическими остатками и гумусом, которые служат одновременно и аккумулятором, и донором СОг-Почвенный покров своей газовой функцией (по отношению к углероду) выполняет в биосфере важнейшую роль поддержания современного оптимального климата (Мартынова, 2011).

A.B. Наумов (2009) отмечает, что в научной литературе недостаточно раскрыта суть этого исключительного природного явления, его роль в биосфере. Даже на уровне отдельных почв или почвенных типов эколого-функциональные связи почвенного дыхания с факторами среды не систематизированы.

«Дыхание» - важнейший показатель плодородия почвы.

В настоящее время физические, химические и биологические свойства светло-серой лесной почвы достаточно хорошо изучены. Однако воздушные свойства, особенности газообмена остается еще слабо изученной проблемой.

Слабая изученность функции почвенного газообмена на уровне биогеоценозов вызывает необходимость исследований в этой области.

Исследования по данной тематике проводились в рамках выполнения тематического плана научных исследований ИрГСХА - № государственной регистрации 01.2.00.900.780.

Цель исследований. Изучить специфику выделения углекислого газа в экосистемах Предбайкалья.

Задачи исследований.

1.Произвести количественную оценку выделения углекислого газа в естественных и агроэкосистемах.

2.Изучить влияние свежего органического вещества и его разложение на характер выделения СОг в экосистемах Предбайкалья.

3.Оценить интенсивность эмиссии СО2 из светло-серых лесных почв в зависимости от температуры почвы и выпадения осадков в течении вегетационного периода.

4.Проследить влияние плотности почвы на характер выделения углекислого газа.

5.Оценить влияние диоксида углерода на урожайность яровой пшеницы в экспериментальных агроэкосистемах.

Положения выносимые на защиту.

1.Изучена интенсивность «дыхания» светло-серых лесных почв в естественных и агроэкосистемах.

2.Влияние свежего органического вещества и его разложения на степень выделения СОг-

3.Оценка влияния абиотических факторов и плотности почвы на процессы эмиссии С02.

4.Влияние интенсивности выделения диоксида углерода на урожайность агроэкосистем.

Научная новизна.

Впервые в условиях Предбайкалья изучена специфика «дыхания» светло-серой лесной почвы в естественных и агроэкосистемах с участием новых и малораспространенных растений: горца растопыренного (забайкальского), свербиги восточной и козлятника восточного, интродуцируемых в регионе.

Научную новизну имеет изучение влияния свежего органического вещества, его разложения, плотности почвы и гидротермических условий на

интенсивность «дыхания» светло-серых лесных почв и продуктивность агроэкосистем.

Практическая значимость. Воздушные свойства почвы - важный показатель её плодородия. Изучение процессов выделения СО2 в экосистемах Предбайкалья имеет важное практическое значение. Изучение этой проблемы позволит научно обосновать систему земледелия и севооборотов региона, может быть использована для прогнозирования продуктивности и создания устойчивых агроэкосистем.

Полученные результаты используются в учебном процессе при чтении учебных курсов: «Земледелие», «Сельскохозяйственная экология» и «Экология почв». Материалы исследований использовались при разработке системы земледелия ЗАО «Ново-Черемховское» Иркутской области.

Апробация научных исследований. Результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-практических семинарах «Ресурсосберегающие технологии производство экологически безопасной сельскохозяйственной продукции», посвященном 75-летию со дня рождения профессора Хуснидинова Ш.К., Иркутск 2011г.; посвященном «Дню аспиранта ИрГСХА», Иркутск 2012г.; работа представлялась на конкурс научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок на соискание гранта ИрГСХА «Инновационные разработки в АПК», Иркутск 2012г.; на студенческой научно-практической конференции с международным участием «Научные исследования студентов в решении актуальных проблем АПК», Иркутск 2012г.; II этап всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых аграрных вузов Министерства сельского хозяйства Российской федерации, Новосибирск 2012г.; исследования представлены на международной научно-практической конференции молодых ученых «Научные исследования и разработки к внедрению в АПК», Иркутск 2012г.; показана в выставке научно-технического творчества молодежи в номинации «Лучший научно-исследовательский проект», Иркутск 2012г; на научно-практическом

семинаре, посвященном «Дню аспиранта ИрГСХА», Иркутск 2013г; исследования представлены на международной научно-практической конференции молодых ученых «Научные исследования и разработки к внедрению в АПК», Иркутск 2013г.; на международно-практической конференции «Экологическая безопасность и перспективы развития аграрного производства Евразии», посвященной 60-летию аспирантуры ИрГСХА, Иркутск 2013 г.

Публикации. Всего по результатам исследований было опубликовано 10 научных работ, в том числе две в изданиях, включенных в Перечень ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура работы. Работа изложена на 126 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 5 глав, выводов, предложений производству. Она содержит 38 рисунков, 14 таблиц. Список использованной литературы включает 166 наименования, в том числе 4 на иностранном языке.

ГЛАВА 1.

ОСОБЕННОСТИ ВЫДЕЛЕНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В РАСТИТЕЛЬНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ

Почвенный воздух - важнейшая составная часть почвы. Кислород воздуха необходим для прорастания семян, дыхания корней растений, почвенных микроорганизмов. Второй важный компонент почвенного воздуха - углекислый газ.

Процесс выделения углекислого газа с поверхности почвы в атмосферу назван Г. Люндегордом (1937) «дыханием» почвы.

В литературе термин «дыхание почвы» используется для обозначения разнообразных по своей природе процессов и явлений, а именно: воздухообмен между почвой и атмосферой; суммарное выделение (эмиссия) углекислого газа с поверхности почвы; скорость минерализации органического вещества и показатель ее биологической активности (Наумов, 2004; Смагин, 2005).

А.Г. Дояренко под «дыханием» почвы понимал ритмичный воздухообмен между почвой и атмосферой, происходящий в результате расширения и сжатия почвенного воздуха при колебаниях температуры почвы или изменения атмосферного давления (Смагин, 2005). Такая трактовка термина «дыхание почвы» неверна, так как она не отражает сущности процесса и близка к термину «воздухообмен».

Основные воздушные свойства почвы: воздухоёмкость (% от объёма почвы), воздухопроницаемость и аэрация. Скорость, направление и объём воздухообмена регулируются главным образом климатическими факторами и физическими свойствами почвы. В основе газообмена между почвой и атмосферой лежат различия в концентрации углекислого газа (С02) и кислорода (02) в этих средах, что постоянно поддерживается непрерывным потреблением 02 и выделением С02 в процессе дыхания почвенных

микроорганизмов, почвенной фауны, корней растений и в результате разложения органических остатков и других процессов, происходящих в корнеобитаемом слое (Ревут, 1972).

Воздух в почве находится преимущественно в газообразном состоянии, небольшая часть его растворена в почвенной влаге и поглощена твёрдой частью почвы. Свободный почвенный воздух заполняет поры и другие пустоты, свободно перемещается в них и сообщается с атмосферой. Для развития растений наибольшее значение имеет свободный воздух, содержание которого в почве непостоянно (там же).

В почвенном воздухе по сравнению с атмосферным меньше кислорода и больше углекислого газа (Муха и др., 1994).

В.И. Вернадский подчёркивал, что почва, взятая без газов, не есть почва, и, говоря о значении биохимических процессов в почвах, о значении почвы в области биосферы, мы скрыто указываем на первенствующую роль газов в почвенных процессах и на значение этих газов в газовом обмене земной коры (Макаров, 1988).

От воздушного режима почвы в большой степени зависит продуктивность растений. Основные факторы его - почвенный воздух, его состав и газообмен между почвой и приземным слоем атмосферы.

При газообмене, одновременно с накоплением С02 в почвенном воздухе, идёт непрерывный процесс отвода избытка его из почвы в атмосферу («дыхание почвы»), СО2, поступая в припочвенный слой атмосферы, служит источником углеродного питания растений (Рассел, 1995).

Высокая концентрация углекислого газа в почвенном воздухе может оказывать отрицательное действие на семена, корни и урожай растений. При оптимальном содержании кислорода вредное действие углекислого газа проявляется только при высокой его концентрации.

Основным механизмом связывания С02 в составе органической биомассы на Земле является фотосинтез (Воронин, Блэк, 2005). Огромное количество углекислого газа потребляется растениями в процессе

фотосинтеза. По данным Б.Н. Макарова (1988), от 38 до 72 % всего количества С02, пошедшего на создание урожая, доставляется растению из почвы в процессе ее дыхания.

Известно, что продуктивность агроэкосистем зависит не только от содержания элементов питания, влаги в почве, но и от концентрации углекислого газа (С02) в приземном слое атмосферы. Формирование газового состава атмосферы тесно связано с почвенным покровом и теми процессами, которые протекают в почвах.

Показатели почвенного дыхания широко используются для оценки продуктивности экосистем, а также для анализа активности почвенных микробоценозов. Выделение углекислоты может быть объективным индикатором интенсивности разложения органического вещества почвы и позволяет охарактеризовать одну из важнейших сторон биологического круговорота веществ (Эмиссия углекислого газа..., 2013).

Исследование динамики скорости продуцирования углекислоты дает представление не только о напряженности биологических процессов, но и позволяет оценить потери органического вещества вследствие минерализации (Кудеяров, 2005).

Интенсивность фотосинтеза зависит от повышения содержания углекислого газа.

Но так как в надпочвенном воздухе, т.е. в том его слое, где происходит усвоение углекислого газа растением, в дневные часы наблюдается недостаток С02, что снижает фотосинтетическую деятельность растений, очень важно обеспечить активное новообразование С02 в почве и хороший газообмен между почвенным и атмосферным воздухом. Поэтому задача создания благоприятного воздушного режима почвы дополняется задачей усиления процессов выделения углекислоты из почвы. Для этой цели весьма важна обработка почвы и внесение в нее органических удобрений (Фридланд, 1977).

В настоящее время установлено, что на дыхание почвы большое влияние оказывает поступление в неё различных органических материалов (торф, навоз, компост и др.) (Оценка дыхания почв России, 1995).

При поступлении в почву новых порций свежего легкоразлагаемого органического вещества резко возрастает выделение углекислого газа. Причём, эта продукция в оптимальных условиях температуры, увлажнения и аэрации может возрастать в десятки раз по сравнению с почвой без внесения органических материалов (там же).

Потенциальным источником органического вещества почв, можно считать все компоненты биоценоза, которые попадают на поверхность почвы или в её толщу и участвуют в процессе почвообразования (Родин, 1965).

Важнейшим резервом улучшения химических, физических и воздушных свойств почвы является использование потенциала многолетних трав.

Многолетние травы оказывают многостороннее влияние на почву, они являются одним из мощных средств повышения её плодородия (Шевчук, 1977; Хуснидинов, 1999; Зезюков и др., 2000; Шпаков, 2002).

Травы в процессе фотосинтеза, утилизируя энергию солнца, используя С02 и Н20, способны накапливать органическое вещество. Органическое вещество влияет на все основные показатели почвенного плодородия, его гумусность, физические, химические и биологические свойства (Лыков, 1976).

Резервом накопления органического вещества являются многолетние растения (Хуснидинов, 1999). Важнейшим условием поддержания высокого уровня почвенного плодородия является заделка в почву образующихся в севообороте растительных остатков (Шарков и др., 2010).

Д.Н. Прянишников (1965) писал: «И там, где для улучшения почв особенно необходимо обогащение их органическим веществом, а навоза по той или иной причине не хватает, зелёное удобрение приобретает особенно большое значение. В сочетании с навозом и другими органическими

удобрениями, а также с удобрениями минеральными зелёное удобрение в качестве одного из элементов системы удобрения должно стать весьма мощным средством поднятия урожаев и повышения плодородия почв. А это значит повышение биологической активности, следовательно, и увеличение дыхания почвы.

Алексеев Е.К. (1959) отмечает, что зелёное удобрение оказывает положительное влияние на активизацию биологической жизни в почве.

В.А. Ковда (1989) указывает, что большинство пахотных почв, подверженной водной эрозии, на которых отсутствует травосеяние и не вносятся органические удобрения, уже через 50-75 лет утрачивают запасы гумуса на 20-50 % по содержанию и на 10-30 см по мощности гумусового горизонта. Для восстановления плодородия таких почв, по мнению В.А. Ковды (1989), обязательно иметь севообороты с травами, применять зеленое удобрение и регулярно вносить в почву органические и минеральные удобрения.

Т.К. Горышина (1979) отмечает, что плотный растительный покров препятствует быстрой диффузии выделяемой углекислоты, а благодаря разложению органического вещества, синтезированного, многолетними травами припочвенный слой воздуха обогащён углекислотой.

Деструкционная ветвь цикла органического углерода сложная: она объединяет все разнообразие процессов разложения органических материалов, а ее конечным продуктом является углекислый газ. Всю совокупность биохимических и физических процессов, приводящих, в конечном счете, к выделению углекислого газа, воды и энергии, запасенной в органических соединениях, характеризует «дыхание» почвы, которое является одной из ее наиважнейших функций (Кудеяров, 1994).

Весьма существенный экологический фактор для зелёных фотосинтезирующих растений - углекислота воздуха. Естественных источников С02 несколько и из них наиболее важные - дыхание наземных и водных организмов, гниение органических остатков, брожение и т. д.

(56,09%), а также «дыхание почвы» (38,0%), при котором С02 выделяется в процессе жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и грибов, разлагающих органические остатки, и в процессе дыхания корней высших растений (Горышина, 1979).

Примерно половину углекислот�